第3篇 线性控制系统的动态分析 (恢复).ppt

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由解的唯一性可得: 例3.4.1 考虑离散时间系统: 其中: 试求 时系统的状态解。 解法1(递推法) 由此递推下去,可得到状态的离散时间的解。 . . . 解法2:(Z变换法) 用Z变换法,先计算 则有: 则有: 因 所以 Z反变换得: 3.5 MATLAB在线性系统动态分析中的应用 3.5.1应用MATLAB计算线性定常系统的矩阵指数(状态转移矩阵) 3.5.2应用MATLAB 求定常系统时间响应 3.5.3应用MATLAB 变连续状态空间模型为离散状态空间模型 3.5.1应用MATLAB计算矩阵指数 1. 应用MATLAB 符号数学工具箱求矩阵指数闭合解析式 基于矩阵指数的拉普拉斯变换求解法,可调用MATLAB 符号数学工具箱(Symbolic Math Toolbox)中的符号运算函数先算出“预解矩阵” , 再对“预解矩阵”进行拉普拉斯反变换即求得 。 另外,MATLAB 符号数学工具箱中有专用于计算矩阵指数的指令expm()可调用。 【例 1 】 已知 ,应用MATLAB求 %MATLAB Program 2_1a syms s t %定义基本符号变量s 和t A=[4,0,0;0,3,1;0,1,3]; FS=inv(s*eye(3)-A); %求预解矩阵 eAt=ilaplace(FS,s,t); %求 eAt=simplify(eAt) %化简 的表达式 解 MATLAB Program 2_1a给出了基于拉普拉斯变换求 的MATLAB 程序。 2.应用数值矩阵的指数运算函数expm()求 对应于 ( 为某一常数)的值 MATLAB Program 2_2给出了调用expm()求例 中矩阵A的矩阵指数 对应于 的值 的MATLAB 程序。 %MATLAB Program 2_2 A=[4,0,0;0,3,1;0,1,3]; T=0.1; eAT=expm(A*T) 3.应用MATLAB 符号数学工具箱求离散系统状态转移矩阵解析式 【例 2 】 已知离散系统状态方程为 应用MATLAB求其状态转移矩阵 的解析式 解 上例中已采用四种方法求出了系统的 , MATLAB Program 2_3给出了基于Z变换求 的MATLAB 程序。 %MATLAB Program 2_3 syms z k %定义基本符号变量z和k G=[0,1;-0.2,-0.9]; Fz=(inv(z*eye(2)-G))*z; %求 Fk=iztrans(Fz,z,k) %调用Z反变换指令求 Fk=simple(Fk) %将符号运算结果表达式转换为最简形式 与例前例求解结果一致,MATLAB Program 2_3 程序运行结果如下: Fk = [ 5*(-2/5)^k-4*(-1/2)^k, 10*(-2/5)^k-10*(-1/2)^k] [ -2*(-2/5)^k+2*(-1/2)^k, -4*(-2/5)^k+5*(-1/2)^k] 3.5.2 应用MATLAB 求定常系统时间响应 1.状态方程的数值解 常微分方程数值解一般使用逐步积分的方法实现,Runge–Kutta法是应用最多的一种微分方程数值解法。MATLAB提供的ode23()、ode45()是分别采用2/3阶、4/5阶Runge–Kutta法的常微分方程数值求解的函数,一般ode45()较ode23()运算速度快,两者调用格式相同,即 其中,xfun为由m函数定义的一阶微分方程组的m函数名,该m函数必须以状态向量x的一阶导数为输出。若原方程为高阶微分方程,应通过第1章的“实现”方法将其转换为一阶微分方程组,即状态空间表达式; t0和tf分别为积分的起始和终止时间,单位为秒;x0为状态向量的初始值;t和x均为返回值,其中t为离散时间列向量;x为解向量构成的矩阵,其第j列为第j个状态变量与t相对应的解向量,j=1,2,…n。 【例3】已知系统状态空间表达式为 设x(0)=0,试求u(t)=1(t)为单位阶跃函数时系统时间响应的数值解。 解 MATLAB Program 2_4a建立了描述系统状态方程的m函数ode_exam

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